钢筋混凝土结构抗震设计思想.doc

钢筋混凝土结构抗震思想目前在中国，钢筋混凝土为应用最多的一种结构形式，占总数的绝大多数，同时也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。据发改委相关数据显示，该地区其主要原材料水泥产量已于2005年达到10.60亿吨，占世界总产量48%左右。钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土构成的结构。承重各主要构件是用钢筋混凝土建造的，包括薄壳结构，大规模现浇结构及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。钢筋和混凝土之所以可以共同工作是由它们自身的材料性质决定的。首先,钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会因为环境不同产生过大的应力。其次,钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180 度弯钩。此外，混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，使钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。地震是危及人民生命财产安全的突发性自然灾害，常常带来毁灭性的结果。我国处于两大地震带中间，东临环太平洋地震带，西处地中海喜马拉雅山地震带，是世界上地震较多的国家之一。地震灾害具有突发性、破坏面积广、区域性强、续发性、多发性等特点。我国属于地震多发国家，需要考虑抗震设防的地域辽阔，因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。钢筋混凝土结构的抗震设计原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。具体来说是“三个标准设防目标”，钢筋混凝土结构抗震的基本步骤：把握好抗震概念设计，采用双指标控制条件，使结构和结构构件既满足抗震承载能力要求又满足变形要求，同时保证加强抗震构造措施，使结构有足够的结构延性，最终实现“三水准设防目标”。我国抗震设计理念首先，通过适当措施使结构具有一定的延性，在地震作用下，发生足够的非线性变形，而维持承载力又不会下降。结构不会出现因承载力急剧下降而导致严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗散地震能量。其次，钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。在无阻尼状态下，在弹性范围内震动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总能量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变形能将耗散掉，从而减少了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变形能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减少地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步立即能量，从而减少地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。提高结构的延性的措施我国抗震设计对钢筋混凝土结构提出的基本上是“高延性要求”，也就是要求结构在较大的屈服后塑性变形状态下仍保持其竖向荷载和抗水平力的能力，对于钢筋混凝土结构应采用能力设计法进行设计。“能力设计法”在设计地震力取值偏低的情况下，结构具有足够的延性能力，通过合理设计使结构在地震作用下形成合理的倒塌机构，即塑性变形或塑性铰出现比较容易保证具有较大延性能力的塑性铰处；通过相应措施提高塑性铰的延性，从而实现结构在中震、大震下抗震设防目标。“能力设计法”已为各国普遍接受。通过能力设计法以选择性质不同的主要抗侧力构件,在地震作用影响产生大变形的情况下,能够形成较好的耗能机制。为了使钢筋混凝土结构在地震引起的动力反应过程中表现出必要的延性,就必须通过能力设计法,使塑性变形更多地集中在比较容易保证良好延性性能或者具有一定延性能力的构件上。能力设计法的具体思路有三步:第一步是选择一个可接受的塑性变形机构。所选机构的位移延性应该靠塑性铰处最小非线性转动来达到。一旦选定了合适的塑性变形机构,就可以精确地确定能量耗散部位。能力设计法在选择塑性变形机构的选择上存在两种不同的方案:一种是“梁铰机构”。其具体措施是人为地较大幅度增加柱端的抗弯能力,使除底层柱底以外的各柱端在较强地震作用下,原则上不进入屈服后状态,即不出现塑性铰。由于柱端原则上不进入屈服,曲率较小,因此对除底层柱底的其它各层柱端不必提出严格的轴压比控制条件,即不必一定要把柱端的受力状态控制在离大、小偏心受压界限状态，尚有一定距离的延性较好的大偏心受压状态。这种机构主要靠梁端出铰来耗散地震能量。另一种是“梁柱铰机构”。其具体措施是只在一定程度上人为增大柱的抗弯能力。因此,从总体上说,柱端虽然与梁端相比相对较强,但在较强和很强地震作用下,柱端仍有可能进入屈服,只不过梁端出现塑性铰的机会较多、较早,塑性转动较大；柱端塑性铰则出现相对较迟,塑性转动相对较小。只要对柱的轴压比控制较严,使柱端不出现小偏心受压和离大、小偏压分界状态过近的大偏心受压情况,再通过加强对柱端塑性铰区的约束,就可以使柱端具有所需的不十分苛刻的塑性转动能力(延性能力)且不致压溃。这种机构主要靠梁柱共同出铰来耗散地震能量。对比以上两种方案,前者实际上是提高了柱的强度,加强了柱的弹性变形能力。在实际配筋当中,纵筋用量相对较多,箍筋用量相对较少。后者实际上是提高了柱的塑性变形能力,在实际配筋当中,纵筋用量相对较少,箍筋用量相对较多。我国规范选择了第二个方案,即“梁柱铰机构”。这就是我们通常所说的“强柱弱梁”。为了实现能力设计方法中的强柱弱梁机构,我们通常的做法是对柱截面的组合弯矩乘以增大系数；也可以对由梁端实际配筋反算出梁端可抵抗弯矩,即实配弯矩乘以增大系数的方法来实现,并用增大后的弯矩值进行柱端控制截面的承载力设计。第二步是要通过人为增大各类构件的抗剪能力,使其不致在强烈地震作用下,在结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。这即是我们通常所说的强剪弱弯。通常的做法是用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点处的组合剪力值,并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件,进行验算和设计。具体措施也有两类：一类是直接对一跨梁两端截面的顺时针或反时针方向的组合弯矩值乘以增大系数,再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。另一类是沿顺时针或反时针方向求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩,对其乘以增大系数,再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。第三步是通过相应的构造措施,保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力。通常通过箍筋加密,限制轴压比等措施来给予保证。上述三个步骤所采取的措施是相互关联的。第二步措施是第一步措施实现的前提和保障；因为只有塑性铰区不致先期发生剪切失效,才能够有梁柱塑性铰区的塑性转动。第一步措施要求较严,则第三步则可相对较弱；反之,第一步的措施较松,则对第三步的要求就较严格。因为如果柱弯矩增强系数很大,大到能保证除底层以外的其它柱端都不出现塑性铰,则并不需要对轴压比和约束箍筋提出严格的限制,即并不需要使柱处于延性较好的大偏压状态和使柱具有很强的转动能力。这即是形成梁铰机构。而如果控制柱的弯矩增强系数,使梁端出铰较柱端出铰较早、较多、转动较大,柱端出铰则相对较迟、较少、转动较小。这即是“梁柱铰机构”。此时,就需要对柱轴压比提出一定的限制,使柱端的受力状态处于大偏压,同时,加强对塑性铰区箍筋的约束,以提高塑性铰的转动能力,这样就提高了柱端的延性能力,使之在所需要的塑性转动下不至于被压坏。所以,柱的弯矩增大系数越大,对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越低;弯矩增大系数越小,对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越高。常用的抗震分析方法伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在设计领域。在结构设计中，通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构，通过结构的第一振型周期来确定地震影响系数，结合结构重力荷载来确定总的地震作用，然后分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则采用振型分解反应谱法进行抗震设计，该方法根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加得到结构总的地震作用、作用效应。对于特别不规则及特别重要的结构，常常需弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。研究结构的抗震性能对于结构基于性能抗震设计极其重要，通常采用的方法为非线性时程分析法与非线性静力分析法。非线性时程分析法从建立在层模型到建立在截面多弹簧模型上的方法，再到当前正在研究发展的建立在截面纤维滞回本构关系的纤维模型法，准确程度正在不断提高。基本思路是通过适当数值方法建立和求解动力方程，从而得到结构各个时刻的反应量。由于对地震特点和结构特性具有假设性，其结果具有不确定性。因此，其主要价值是用来考察地震作用下结构的反应规律，以及对设计好的结构进行校核分析，评估其抗震性能。非线性静力分析法是近年来广泛应用的一种结构结构抗震能力评估的新方法。从本质上说是一种静力非线性计算方法，将反应谱引入计算过程和结果，用静力荷载描述地震作用，考虑结构的弹塑性性质。先以某种方法求得结构在地震作用下所对应的目标位移，然后在对结构施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构